材料科学基础课件第一章原子结构与键合

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1、第一章原子结构与键合(Atomicstructureandinteratomicbonding)本章要讨论的主要问题是：为什么原子能结合成固体？(2)材料中存在哪几种键合方式？(3)决定键合方式的主要因素有哪些？(4)材料的哪些性能和其键合方式有密切的关系？第一节原子结构一、经典模型和玻尔（Bohr）理论经典的原子模型认为，对原子序数为Z的原子，是由带正电荷+Ze的原子核和Z个绕核旋转的电子组成。为了解释原子的稳定性和原子光谱(尖锐的线状光谱），玻尔对此经典模型作了两点重要的修正。图1－101波尔原

2、子模型示意图1.电子不能在任意半径的轨道上运动　　电子只能在一些半径为确定值r1,r2,…的轨道上运动。我们把在确定半径的轨道上运动的电子状态称为定态。每一定态（即每一个分立的r值）对应着一定的能量E。由于r只能取分立的数值(轨道半径的分立性)，对应的能量E也只能取分立的数值，这就叫能级的分立性。当电子从能量为E1的轨道跃迁到能量为E2的轨道上时，原子就发出（当E1>E2时）或吸收（当E1

3、1)式中h是普朗克常量，h=6.63×10-34J·s2.角动量的量子化　　处于定态的电子，其角动量L也只能取一些分立的数值，且必须为h/(2π)的整数倍，即：(1-102)式中m和u分别为电子的质量和速度，角量子数k为整数。(1-102)式称为角动量的量子化条件。对于氢原子，轨道是圆形的。对于非氢原子，轨道可以是椭圆形的，此时就需要引入两个量子数。一个是度量轨道能量的主量子数n，另一个是度量轨道角动量的角量子数k。　　可以认为n和k分别决定了椭圆的长轴和短轴，而k/n则决定了椭圆的偏心率。二、波

4、动力学（Wave-Mechanics）理论和近代原子结构模型玻尔理论虽然能定性地解释原子的稳定性（定态的存在）和线状原子光谱，但在细节和定量方面仍与实验事实有差别。特别是，它不能解释电子衍射现象，因为它仍然是将电子看作为服从牛顿力学的粒子，不过附加了两个限制条件，即能量的分立性和角动量的量子化条件，从理论上讲这是不严密的。　　要克服玻尔理论的缺陷和矛盾，就必须摒弃牛顿力学，建立崭新的理论，这就是波动力学（或量子力学）理论。按照波动力学观点，电子和一切微观粒子都具有二象性，即既具有粒子性，又具有波动性

5、。也就是说对于以一定速度u（动量为p）运动的粒子，可与一个波长为λ的物质波建立联系，联系二象性的基本方程是：(1-103)其中，u是粒子运动的速度，p是粒子的动量，h是普朗克常量。由(1-103)式可以看出，如果通过改变外场而改变电子的动量，电子波的波长也就随之而变该式可以认为是一切有关原子结构和晶体性质的理论的基础。图1-102玻尔模型和波动力学模型比较由于电子具有波动性，谈论电子在某一瞬时的准确位置就没有意义。我们只能问电子出现在某一位置的几率(即可能性），因为电子有可能出现在各个位置，只是出现在

6、不同位置的几率不同。三、核外电子组态在多电子的原子中核外电子的排布遵循如下三个原则：（1）能量最低原理：电子的排布总是尽可能使体系的能量最低。电子总是先占据能量最低的壳层，填满后在依次进入能量较高的壳层。即按照如下顺序：K→L→M→……。在同一壳层中按照s、p、d、f的顺序排列。（2）Pauli不相容原理（PauliExclusionPrinciple）：在一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子，即不可能有四个量子数都相同的两个原子。（3）Hund规则：在同一亚层中的各个能级中电子的排布尽可能分

7、占不同的能级，而且自旋方向相同（有例外）。根据以上的原则我们可以分析元素周期表中各原子的电子分布。(1)第一周期只有一个电子壳层，n=1，只有1s2一个状态，故第一周期只有两个原子，分别对应1s1（氢）和1s2（氦）。(2)第二周期有两个电子壳层，n=2，可占据的电子状态为1s2,2s2,2p6，共可容纳2+2+6=10个电子，故包含从锂到氖的8个元素。(3)第三周期有三个电子壳层，n=3，可占据的电子状态除n=2的壳层外，还有3s2,3p6,3d10，但由于E3d>E4s，因此，第三壳层中不包括3d

8、态。故第三周期可容纳的总电子数为18，只包含从钠到氩的8个元素。以上三个周期成为短周期，其特点是所有元素的电子态均为s或p态。(4)从第四周期起，是长周期。不仅包含s，p态，还包含d或f状态，即电子填充在d或f轨道。其分析方法和短周期基本相同。但有下面两个特点必须记住：　　①凡是外层电子填充在d轨道的元素都称为过渡元素。因此，第四周期中从钪(Sc，Z=21)到铜(Cu，Z=29)，第五周期中从钇(Y，Z=39)到银(Ag，Z=47)，第六周期中从铪(H